電荷耦合元件

電荷耦合元件 (Charge-Coupled Device {=CCD})
國立臺灣大學物理學系 陳昱璟

電荷耦合元件 (CCD) 是一種集成電路 (integrated circuit)，於 1969 年由美國貝爾實驗室中的 Willard S. Boyle 以及 George E. Smith 所發明。兩人為尋找新的記憶體材料，想出再施加交替電壓使電荷於半導體表面上傳遞，可用來儲存及讀取訊號，然而後來發現加上利用光電效應產生光電子，整個裝置可做為影像的擷取。

直到 1970 年貝爾實驗室已經製造出第一個 CCD 晶片，雖為簡單之線性裝置，但已可捕捉影像，隨著製程技術的不斷進步，以及數位化時代的來臨，CCD 晶片不斷發展，有效像素數也不斷增加，如今 CCD 已廣泛運用在數位相機、掃描器上。

此外，由於 CCD 晶片具有定量測光、體積小、低雜訊且穩定的特性，被大量應用在天文觀測上，相較於以底片曝光獲取影像，CCD 使天文觀測的極限可以提升近百倍。而發明 CCD 的 Willard S. Boyle 以及 George E. Smith 也因 CCD 在應用科學上的重大貢獻，於西元 2009 年榮獲諾貝爾物理獎。

圖一 CCD的內部構造之示意圖。(本文作者陳昱璟繪)

CCD 的內部構造為緊密排列的金屬氧化物半導體 (metal-oxide-semiconductor, MOS) 電路。若在閘極 (Gate) 上施加正電壓，則底下會產一位能井，若光照射在此區域時，由於光電效應的緣故，所激發的電子便會束縛在此位能井內（如圖一）。接著，改在旁邊的閘極施加正電壓，則所收集的電子便會流向隔壁的位能井（如圖二）；因此，照順序施加正電壓於附近的閘極便可把收集得到的電子傳導出來，形成電子訊號。整齊排列的大量金屬氧化半導體便可用來偵測不同位置上的光強度，如同照相機一樣。

圖二 施加不同閘極電壓時，電子流動方向。(本文作者陳昱璟繪)

一般用於彩色數位相機上的 CCD 前方會加裝色彩濾光片，因為 CCD 內部只是光的感應器，而色彩濾光片則能讓 CCD 具有辨識光線各個色彩成分的能力。現今彩色數位相機多使用拜爾濾鏡排列樣式 (Bayer filter pattern)，如圖三，色彩濾光片中的每一小格只會讓一種顏色通過，而以綠色為主要之顏色，是因為人眼對綠光最為敏感。透過影像處理器，可將原始影像加上顏色，使其變為肉眼所見之彩色影像。

圖三 拜爾濾鏡排列樣式。(本文作者陳昱璟繪)

近年來，因互補金氧半導體 (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) 製程之進步，由 CMOS 所製作的感光元件不斷增加；相較於 CCD，CMOS 具有低耗電量、易於微小化以及價格較 CCD 便宜，逐漸取代 CCD 成為數位相機及手機中的感光元件。然而 CCD 仍具有高影像品質、高感光度以及高銳利度等特色，因此在高階的天文望遠鏡、相片掃描器及軍方設備中，CCD 依舊為主流感光元件。

參考文獻

1. 王祥宇 (2010)。影像技術大躍進 — 談 CCD 的發明。物理雙月刊，32 卷 1 期，4-8。
2. 維基百科｜感光耦合元件。http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%84%9F%E5%85%89%E8%80%A6%E5%90%88%E5%85%83%E4%BB%B6
3. 科學Online─科技部高瞻自然科學教學平台｜2009 年諾貝爾物理獎介紹 — 光纖與 CCD 感光元件。/highscope/?p=20326
4. 菲謝蒂 (Mark Fischetti) (2005)。它、抓得住我！數位相機的攝影原理。科學人雜誌，第 38 期 4 月號。